华东理工大学刘润辉教授JACS：新型葡萄糖响应性胰岛素复合物实现长效血糖控制

糖尿病是全球范围内导致死亡和残疾的主要原因之一，患者人数预计到2050年将达13.1亿。目前，糖尿病管理主要依赖血糖监测、严格饮食控制及每日多次胰岛素注射，但这些方法不仅给患者带来沉重的治疗负担和心理压力，还难以有效控制血糖波动。现有长效胰岛素如甘精胰岛素和icodec虽能减少注射频率，但其作用时间过长易导致低血糖风险，且合成工艺复杂、成本高昂。此外，已有葡萄糖响应性胰岛素制剂因聚合物毒性、胰岛素释放不稳定等问题，限制了其临床应用。

近日，华东理工大学刘润辉教授课题组研究开发出一种新型葡萄糖响应性胰岛素制剂，通过皮下注射可实现长效血糖控制。该制剂由重组人胰岛素与双胍功能化聚（2-恶唑啉）聚合物复合而成，聚合物进一步修饰苯硼酸基团，使其能在高血糖条件下通过静电作用变化释放胰岛素。在I型糖尿病迷你猪模型中，单次注射该复合物可维持正常血糖超过192小时，且几乎未观察到低血糖事件，显示出优异的生物相容性和治疗潜力。相关论文以“Poly(bis(guanidinium)-oxazoline)–Insulin Complex Exerting Long-Acting Glucose-Responsive Insulin Release in Mice and Minipigs”为题，发表在

JACS

研究人员首先设计了具有双胍基团的聚（2-恶唑啉）聚合物（Pox-BiGua），并通过引入氟苯硼酸（FPBA）赋予其葡萄糖响应性。合成过程中，聚合物链长控制精确，分散度窄，经核磁共振和凝胶渗透色谱验证结构一致。该系列聚合物（BiGuaxFPBAy）在细胞毒性及溶血实验中表现出良好的生物相容性，IC50值超过400 μg/mL，远优于传统聚赖氨酸（PLL）材料。

图1. 葡萄糖响应性聚合物-胰岛素复合物的设计 （a）通过双胍和氟苯硼酸（FPBA）功能化设计具有增强胰岛素负载能力和稳定性的葡萄糖响应性聚合物。带正电的双胍功能化聚（2-恶唑啉）聚合物与带负电的胰岛素形成强静电相互作用，获得葡萄糖响应性胰岛素复合物。 （b）葡萄糖响应性胰岛素复合物中电荷减少的机制及其在高血糖条件下主导胰岛素释放的作用。 （c）BiGua70FPBA30−胰岛素复合物在STZ诱导的I型糖尿病迷你猪中表现出强效治疗效果，单次给药后维持正常血糖超过192小时。

图2. 聚合物合成与体外生物相容性 （a）双胍功能化聚（2-恶唑啉）（Pox-BiGua）和FPBA修饰的Pox-BiGua（BiguaxFPBAy）的合成路线。 （b）侧链NH-Boc保护阶段的P(ProNHBocOx)20的凝胶渗透色谱（GPC）表征。 （c）和（d）Pox-BiGua和BiguaxFPBAy在D2O中的质子核磁共振（1H NMR）谱图。 （e）BiGuaxFPBAy对小鼠胚胎成纤维细胞（NIH-3T3）的细胞毒性。 （f）BiGuaxFPBAy对新鲜红细胞的溶血作用。

通过密度泛函理论计算发现，双胍基团与胰岛素B链上的谷氨酸残基之间具有最强的氢键作用和结合能，显著提升了胰岛素负载效率至97%以上。与仅含氨基的聚合物相比，双胍功能化聚合物在PBS中几乎不释放胰岛素，表现出极高的复合物稳定性。进一步研究显示，FPBA的引入使复合物在高葡萄糖浓度下释放胰岛素量显著增加，体现出明确的葡萄糖响应特性。

图3. 不同聚合物的胰岛素结合与葡萄糖响应释放研究 （a）聚赖氨酸、Pox-C3−NH2和Pox-BiGua的胰岛素负载能力。 （b）Pox-C3−NH2−胰岛素复合物和Pox-BiGua−胰岛素复合物在PBS缓冲液中的稳定性。 （c）BiGuaxFPBAy的胰岛素负载效率。 （d）苯硼酸的葡萄糖依赖平衡。 （e–i）BiGuaxFPBAy−胰岛素复合物在0、100和400 mg/dL葡萄糖浓度下的葡萄糖响应性胰岛素释放。

在优化配方中，BiGua70FPBA30−胰岛素复合物表现出最佳的稳定性和响应性。该复合物呈胶体状，粒径约200纳米，随时间逐渐聚集至微米级。其疏松多孔的结构有利于葡萄糖和胰岛素的快速扩散与交换。随着葡萄糖浓度升高，复合物的ζ电位逐渐降低，表明葡萄糖结合导致正电荷密度下降，从而触发胰岛素释放。该复合物还实现了多次脉冲式释放，并在4°C储存90天后仍保持响应活性，释放的胰岛素二级结构完整。

图4. BiGua70FPBA30−胰岛素复合物的表征、电荷切换、葡萄糖结合及长期储存有效性 （a）FITC-BiGua70FPBA30（黄色）和RhB-胰岛素（红色）及复合物的代表性图像。 （b）倒置荧光显微镜下的复合物图像。 （c）和（d）复合物的代表性TEM和SEM图像。 （e）动态光散射测得的流体动力学尺寸分布。 （f）复合物在不同葡萄糖浓度下的ζ电位。 （g）复合物在不同葡萄糖浓度下的葡萄糖结合能力。 （h）通过葡萄糖浓度交替（400↔100 mg/dL）实现复合物的脉冲式胰岛素释放。 （i）复合物在4°C储存90天后在0、100和400 mg/dL葡萄糖浓度下的胰岛素释放能力。 （j）原始胰岛素与复合物释放的胰岛素的圆二色谱。

在小鼠体内实验中，复合物皮下注射后胰岛素滞留时间显著延长，48小时后仍可检测到荧光信号，而游离胰岛素在1–2小时内即被清除。复合物能迅速将血糖降至正常范围并维持近48小时，效果远超天然胰岛素和甘精胰岛素。在葡萄糖耐量测试中，复合物处理组血糖峰值较低且恢复更快，同时伴随血浆胰岛素水平的迅速上升与回落，体现出良好的葡萄糖响应能力。即使在高剂量（275 U/kg）下，复合物仍能维持正常血糖超过120小时，且未引发低血糖事件。

图5. BiGua70FPBA30−胰岛素复合物的体内滞留及聚合物生物分布 （a）小鼠皮下注射复合物与天然胰岛素后胰岛素的滞留情况。 （b）注射后荧光强度定量。 （c）糖尿病小鼠接受天然胰岛素或复合物治疗后的血糖水平。 （d）皮下注射复合物后BiGua70FPBA30的生物分布。 （e–i）复合物注射后BiGua70FPBA30在小鼠心、肺、脾、肝、肾中的分布。

图6. BiGua70FPBA30−胰岛素复合物在I型糖尿病小鼠模型中的治疗潜力 （a）实验分组与处理方案。 （b）和（c）小鼠接受天然胰岛素、甘精胰岛素或复合物治疗后的血糖水平与正常血糖持续时间。 （d）和（e）治疗后3小时腹腔葡萄糖耐量测试（IPGTT）结果及曲线下面积（AUC）统计。 （f）体内葡萄糖注射触发的胰岛素释放。 （g）和（h）高剂量（275 U/kg）下各组血糖水平与正常血糖持续时间。 （i）和（j）治疗后3小时和4天的IPGTT结果。 （k）IPGTT的AUC统计。

在迷你猪模型中，复合物同样表现出色。通过连续血糖监测系统可见，单次注射后迷你猪血糖在168至192小时内维持在正常范围内，且血糖波动极小。与甘精胰岛素相比，复合物组低血糖事件发生率更低。此外，注射后血浆胰岛素水平随血糖升高而显著上升，进一步验证了其在体内的葡萄糖响应释放机制。

图7. BiGua70FPBA30−胰岛素复合物在I型糖尿病迷你猪中的治疗潜力 （a）迷你猪动态血糖监测示意图。 （b）复合物在迷你猪中的葡萄糖响应性胰岛素释放。 （c）健康迷你猪24小时内代表性血糖轨迹。 （d）未治疗糖尿病迷你猪24小时内血糖轨迹。 （e）甘精胰岛素治疗48小时内的血糖轨迹。 （f）复合物单次注射后血糖轨迹。

生物安全性评估显示，BiGua70FPBA30及其胰岛素复合物在小鼠中均未引起明显毒性反应。最大耐受剂量实验中所有小鼠存活，重复给药后体重、血生化指标及组织病理学结果均未见异常，注射部位也无明显中性粒细胞浸润或纤维化，表明该制剂具有良好的体内安全性。

图8. BiGua70FPBA30聚合物及胰岛素复合物的体内毒性评价 （a）实验设计与分组。 （b）重复皮下注射后小鼠体重变化。 （c–i）血生化指标（ALT、AST、BUN、CREA、Na+、Cl−、K+）结果。 （j）和（k）心、肝、脾、肺、肾组织的H&E染色切片。

综上所述，该研究成功开发出一种基于双胍功能化聚合物的葡萄糖响应性胰岛素复合物，能实现长效、可控的胰岛素释放，并在小鼠和迷你猪模型中验证了其优异的血糖控制能力与生物安全性。未来，该制剂有望与可注射水凝胶或可回收植入物结合，实现超长效胰岛素输送，为糖尿病治疗提供新的解决方案。进一步的临床转化研究将聚焦于剂量优化与个体化治疗方案。